基于μC／OS-Ⅲ的多任务间邮箱机制分析与应用

摘要：为灵活、有效地在多任务程序设计中应用μC／OS-Ⅲ操作系统中的邮箱，采用理论分析与实例实验相结合的方法，得到基于μC／OS-Ⅲ操作系统的邮箱机制在全双工任务间通信、二值信号量和充当延迟函数等方面的应用技巧和方法。实验表明，邮箱的灵活应用不仅可以实现传统的任务间数据通信，还可以方便地替代互斥信号量和实现延时功能。
关键字：嵌入式系统；任务间通信；μC／OS-Ⅲ；邮箱

0 引言
    嵌入式系统软件通常由多个功能模块构成，而模块的功能一般由基于嵌入式操作系统的任务来实现。在实际应用中，常需要进行任务间通信来实现特定的功能，如变量的传递、资源的共享等，这就需要针对操作系统建立可靠的任务间通信，而邮箱是最常用的任务间通信机制之一。本文基于μC／OS-Ⅲ嵌入式实时操作系统，研究了邮箱的使用和技巧，不仅探讨了邮箱在传统任务间通信和数据的传递中的应用，还通过实例研究了邮箱在二值信号量和实现延时功能中的灵活应用。

1 μC／OS-Ⅲ简介
    嵌入式实时操作系统(RTOS)是嵌入式系统的关键组成部分。近年来，μC／OS-Ⅲ操作系统以其较小的体积、开放的源码和值得信赖的可靠性获得了工程技术人员的青睐。2011年，μC／OS-Ⅲ的升级版μC／OS-Ⅲ发布。μC／OS-Ⅲ秉承了前一版本的优点，是一个高度可移植、可固化、可扩展，具有优先抢占的实时性，专为满足当今嵌入式系统的苛刻要求的多任务内核，它的最大改进之处在于允许多个任务运行于同一优先级上，相同优先级的任务按时间片轮转调度，内核对象的数量不受限制以及接近于零的终端禁用时钟周期。μC／OS-Ⅲ内核为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理以及任务间通信。与前期版本不同，μC／OS-Ⅲ支持无限多个任务，无限多个优先级，无限多个信号量，同时支持互斥信号量、消息邮箱等任务间通信方式。

2 任务间通信与邮箱的应用
    由于嵌入式系统软件通常由基于操作系统的若干个任务实现，因此，不可避免的需要任务之间或中断服务子程序与任务间的通信，这种信息传递机制称为任务间的通信。μC／OS-Ⅲ任务间的通信可以通过共享内存、信号量、任务内建消息队列、外部消息队列、事件标志组实现。共享内存方式使用全局变量或缓存，对大型而复杂的程序，多个任务同时对一个变量进行读写操作会引起冲突或缓存区的溢出，因此共享内存用于共享一些对数据安全性不高的通用数据。信号量的通信模型虽然可以很好地起到互斥的作用，但在多个任务同时与某一任务通信是就会产生对信号量的竞争，引起通信发起端的排队，降低系统的效率。任务内建消息队列一般用于接收少量消息(如中断服务程序发送过来的消息)、外部消息队列主要面向于多个任务共同等待的消息，事件标志组则用于多个任务间的同步。
    总结来说，μC／OS-Ⅲ任务间通信有2个途径：通过全局变量或发消息给另一个任务。用全局变量时，必须保证每个任务或中断服务子程序独享该变量。中断服务中保证独享的惟一办法是关中断。如果2个任务共享某变量，各任务实现独享该变量的办法可以使关中断，再开中断，或使用信号量。需要注意的是，任务只能通过全局变量与中断服务子程序通信，而任务并不知道什么时候全局变量被中断服务子程序修改了，除非中断服务子程序以信号量方式向任务发信号，或者是该任务以查询方式不断周期地查询变量的值。这样就不可避免地给程序设计带来了一定的难度，为避免这种情况，常用的解决方法是采用邮箱。
    典型的消息邮箱(Message Mail Box)也称作交换消息，即用一个指针型变量，一个任务或一个中断服务子程序通过内核，可以把一则消息(一个指针)放到邮箱中。同样，一个或多个任务通过内核，可以接收这则消息。发送消息的任务和接收消息的任务约定，某个指针指向的内容就是它们要传送的消息，如发送消息用指针*Txmsg，而接收消息用指针*Rxmsg。这种消息传送的过程与通过邮箱收发邮件颇为相似，故称消息邮箱，或简称邮箱。
    为了在μC／OS-Ⅲ中使用邮箱，必须将OS_CFG．H文件中相应的配置常数置1。具体配置项如表1所示。

    需要说明的是，由于μC／OS-Ⅲ的邮箱管理必须有函数OSMboxCreate()和OSMboxPend()的参与，所以它们不能单独被屏蔽掉。但从表1中可以看出，将OS_MBOX_EN选项置0即可屏蔽所有邮箱函数，当然也可以屏蔽OSMboxCreate()和OSMboxPend()函数。

    μC／OS-Ⅲ的邮箱支持任务与任务之间、任务与中断服务子程序之间进行消息传递，图1给出了邮箱支持的消息传递过程中所用到的函数和任务、中断服务子程序之间的关系。

    从图1可以看出，任务或中断服务子程序都可以调用函数OSMboxPost()和OSMboxPostOpt()，但只有任务可以调用OSMboxCreate()，OSMbo xDel()，OSMboxPend()及OSMboxQuery()函数。此外，μC／OS-Ⅲ中应用程序可以使用多个邮箱，其最大数目由OS_CFG．H文件中的配置常数OS_MAX_EVENTS设定。
    在表1中各选项配置完毕并了解图1中各邮箱函数的关系后，即可以使用邮箱进行消息的传递，其具体过程为：创建邮箱OSMboxCreate()；邮箱内消息的内容初始化，此时邮箱内是否有消息并不重要；将消息放入邮箱OSMboxPost()；等待有消息进入邮箱OSMboxPend()；如果邮箱内有消息，则任务将消息从邮箱中取走；如果邮箱内没有消息，则内核不将该任务挂起，返回空指针。
    下述代码给出了2个邮箱TxMbox和RxMbox的建立方法，同时TaskOne和TaskTwo两个任务使用邮箱实现了全双工的应答式通信。
   
   
   
    从代码可以看出，使用内核提供的邮箱服务实现任务问通信方便、简单，这也是邮箱作为任务问通信最常用手段的原因。此外，在实际应用中，通过分析邮箱的功能特点，还可以将其应用到其他场合以实现一些灵活的功能。


3 邮箱的灵活应用
3．1 用邮箱作为二值信号量
    邮箱可以当作二值信号量用，邮箱中有消息表示资源可以使用，而空邮箱表示资源已经被其他资源占用。首先，在初始化时将邮箱设置为一个非空指针(eg．void*1)，这样，一个任务可以调用OSMboxPend()函数请求信号量，然后通过调用OSMboxPost()函数释放信号量。若只需要二值信号量和邮箱，采用这种方法可以节省代码空间。此时，需将OS_MBOX_EN置1，而将OS_SEM_EN清0，即只用邮箱，而不是同时使用邮箱和信号量。同样，给出了一个邮箱传递二值信号量的简单示例。
   
3．2 邮箱实现延时，而不使用OSTimeDly()
    邮箱的超时等待功能可以用作延时，模仿OS-TimeDly()函数功能。示例代码如下：
   
   
    在程序执行过程中，若在指定的时间TIMEOUT内没有消息到来，则TaskC继续执行，这显然与OSTimeDly(TIMEOUT)功能类似；但是，如果TaskD在指定的时间结束之前，向邮箱发送一个dummy消息，则可以中止任务1中的延时，使TaskC提前继续执行，这与调用函数OSTimeDly Res ume()的功能一致。

4 结语
    本文基于嵌入式操作系统μC／OS-Ⅲ探讨了邮箱在任务间通信中的应用方法及注意事项，分析了各邮箱函数的关系及使能／屏蔽方法，并给出示例实现2个任务的全双工通信；在此基础上，还研究了邮箱在二值信号量和延时功能中的灵活应用，并给出实例代码验证，这在嵌入式系统开发过程中有一定的参考价值。